KR20140106297A - 광전극 구조체용 광흡수층, 이를 포함하는 광전극 구조체 및 이를 포함하는 광전기화학 전지 - Google Patents
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Abstract
산화구리를 포함하며, 상기 산화구리의 입계(grain boundary)에 금속 구리(metallic Cu)가 존재하는 광전극 구조체용 광흡수층, 이를 포함한 광전극 구조체, 상기 광전극 구조체를 포함한 광전기화학전지 및 상기 광흡수층을 포함한 태양전지가 제시된다.
Description
광전극 구조체용 광흡수층, 이를 포함하는 광전극 구조체 및 이를 포함하는 광전기화학전지(photoelectrochemical cell: PEC)가 제시된다.
최근 탄소 기반 에너지의 고갈 및 연료가스 배출에 의한 환경 문제 해결을 위한 대책으로 태양으로부터 무한에너지를 이용하여 물을 분해하여 수소를 생산하는 연구가 활발하다.
물분해를 위해서는 태양에너지를 흡수하여 전자와 홀을 생성하고 각각 수소와 산소를 발생시키는 광촉매가 필요하다. 일반적으로 태양광 흡수 최대화 및 물분해 포텐셜을 동시에 만족시키기 위해서는 밴드갭이 약 2eV 범위인 반도체가 유용한 것으로 알려져 있다.
상기 반도체로서 산화구리가 이용된다. 그런데 산화구리는 실제적인 광효율이 이론적 광효율과 달리 낮게 얻어져 개선의 여지가 많다.
한 측면은 광효율이 증가된 광전극 구조체용 광흡수층을 제공하는 것이다.
다른 측면은 상술한 광흡수층을 포함한 광전극 구조체를 제공하는 것이다.
또 다른 측면은 상술한 광전극 구조체를 포함한 광전기화학전지를 제공하는 것이다.
한 측면에 따라
산화구리를 포함하며, 상기 산화구리의 입계(grain boundary)에 금속 구리(metallic Cu)가 존재하는 광전극 구조체용 광흡수층이 제공된다.
다른 측면에 따라
전극; 및 상술한 광흡수층; 보호층 및 전기촉매를 포함하는 광전극 구조체를 제공한다.
또 다른 측면에 따라 상술한 광전극 구조체를 포함하는 광전기화학전지를 제공한다.
또 다른 측면에 따라 상술한 광흡수층을 포함하는 태양전지를 포함한다.
또 다른 측면에 따라
구리염 및 착화제를 포함하는 전해질 수용액을 전해석출(electrodeposition)하여 산화구리막을 얻는 단계; 및
상기 산화구리막을 무산소 분위기에서 200 내지 550℃에서 열처리하는 단계;를 포함하여 상술한 광전극 구조체용 광흡수층을 형성하는 광전극 구조체용 광흡수층의 제조방법이 제공된다.
또 다른 측면에 따라 상술한 제조방법에 따라 제조된 광전극 구조체가 제공된다.
일 구현예에 따른 광흡수층은 광효율이 개선된다. 이러한 광흡수층을 채용한 광전극 구조체는 생성된 전자-정공의 효율적 분리 및 재결합 방지효과가 높다. 따라서 상술한 광흡수층을 채용한 광전극 구조체를 채용하면 효율이 개선된 광전기화학전지를 제조할 수 있다.
도 1a는 일구현예에 따른 광전극 구조체에서 전하 캐리어 전도성 경로(charge carrier conducting path)를 형성하는 개념도를 나타낸 것이고,
도 1b는 일구현예에 따른 광흡수층 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1c는 일구현예에 따른 광흡수층 제조시 열처리 전, 후 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일구현예에 따른 광전기화학전지를 나타낸 것이고,
도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 광흡수층의 투과전자현미경(transmission electron microscope: TEM) 분석 결과를 나타낸 것이고,
도 3b는 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층의 TEM 분석 결과를 나타낸 것이고,
도 4a는 실시예 1에 따라 제조된 광흡수층의 표면에 대한 주사전자현미경(scanning electron microscope: SEM) 분석 결과를 나타낸 것이고,
도 4b는 실시예 1에 따라 제조된 광흡수층의 단면에 대한 SEM 분석 결과를 나타낸 것이고,
도 5a는 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층의 표면에 대한 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5b는 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층의 단면에 대한 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6a는 실시예 1에 따라 제조된 광전극 구조체를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6b는 도 6a의 광흡수층의 표면에서부터 0.5㎛의 두께 영역 (C)에 대한 TEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6c는 도 6a의 광흡수층에서 FTO막의 인접된 영역으로부터 2㎛ 두께 영역 (D)에 대한 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6d는 도 6a의 광흡수층의 표면에서부터 0.5㎛의 두께 영역 (C)에 대해 X-선 광전자 분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy: XPS) 및 AES(Auger Electron Spectroscopy) 를 분석한 후 Cu LMM 스펙트럼을 미분 (dN/dE)한 결과를 나타낸 것이다.
도 6e는 도 6a의 광흡수층과 FTO막의 인접된 영역으로부터 상부 2 ㎛의 두께 영역 (D)에 대한 XPS/AES 분석 후 Cu LMM 스펙트럼을 미분한 결과를 나타낸 것이다.
도 6f는 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층(62)의 표면에서부터 0.5㎛의 두께 영역 (C)에 대한 XPS/AES 분석후 Cu LMM 스펙트럼을 미분한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 2-8에 따른 광흡수층의 광전류 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1, 9-12에 따라 제조된 광흡수층의 광전류 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층의 광전류 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 10 은 광흡수층의 열처리 온도 조건에 따른 결정성 변화를 알아보기 위해 X-선 회절 (XRD) 분석 후 Cu2O (111) 면에 대한 면간 거리 (k) 및 결정성 (피크 너비) 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 도 10과 같은 방법으로 Cu2O (200)면의 XRD 분석을 실시한 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 도 10과 같은 방법으로 Cu2O (200)면의 XRD 분석을 실시한 결과를 나타낸 것이다.
도 1b는 일구현예에 따른 광흡수층 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1c는 일구현예에 따른 광흡수층 제조시 열처리 전, 후 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일구현예에 따른 광전기화학전지를 나타낸 것이고,
도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 광흡수층의 투과전자현미경(transmission electron microscope: TEM) 분석 결과를 나타낸 것이고,
도 3b는 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층의 TEM 분석 결과를 나타낸 것이고,
도 4a는 실시예 1에 따라 제조된 광흡수층의 표면에 대한 주사전자현미경(scanning electron microscope: SEM) 분석 결과를 나타낸 것이고,
도 4b는 실시예 1에 따라 제조된 광흡수층의 단면에 대한 SEM 분석 결과를 나타낸 것이고,
도 5a는 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층의 표면에 대한 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5b는 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층의 단면에 대한 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6a는 실시예 1에 따라 제조된 광전극 구조체를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6b는 도 6a의 광흡수층의 표면에서부터 0.5㎛의 두께 영역 (C)에 대한 TEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6c는 도 6a의 광흡수층에서 FTO막의 인접된 영역으로부터 2㎛ 두께 영역 (D)에 대한 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6d는 도 6a의 광흡수층의 표면에서부터 0.5㎛의 두께 영역 (C)에 대해 X-선 광전자 분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy: XPS) 및 AES(Auger Electron Spectroscopy) 를 분석한 후 Cu LMM 스펙트럼을 미분 (dN/dE)한 결과를 나타낸 것이다.
도 6e는 도 6a의 광흡수층과 FTO막의 인접된 영역으로부터 상부 2 ㎛의 두께 영역 (D)에 대한 XPS/AES 분석 후 Cu LMM 스펙트럼을 미분한 결과를 나타낸 것이다.
도 6f는 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층(62)의 표면에서부터 0.5㎛의 두께 영역 (C)에 대한 XPS/AES 분석후 Cu LMM 스펙트럼을 미분한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 2-8에 따른 광흡수층의 광전류 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1, 9-12에 따라 제조된 광흡수층의 광전류 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층의 광전류 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 10 은 광흡수층의 열처리 온도 조건에 따른 결정성 변화를 알아보기 위해 X-선 회절 (XRD) 분석 후 Cu2O (111) 면에 대한 면간 거리 (k) 및 결정성 (피크 너비) 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 도 10과 같은 방법으로 Cu2O (200)면의 XRD 분석을 실시한 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 도 10과 같은 방법으로 Cu2O (200)면의 XRD 분석을 실시한 결과를 나타낸 것이다.
이하, 한 측면에 따른 광전극 구조체용 광흡수층, 이를 포함한 광전극 구조체 및 상기 광전극 구조체를 포함한 광전기화학전지에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
상기 광흡수층은 산화구리를 포함하며, 상기 산화구리의 입계(grain boundary)에 금속 구리(metallic Cu)가 존재하는 구조를 갖는다. 이와 같은 구조를 가짐으로써 광흡수층에 전하 캐리어 분리를 증가하고 재결합을 방지하여 실제적인 광효율이 매우 개선된다.
상술한 바와 같은 구조는 투과전자현미경(transmission electron microscope: TEM) 및 전자주사현미경(scanning electron microscope: SEM) 분석을 통하여 확인 가능하다. TEM 분석을 통하여 산화구리막 단면 전두께 영역에서 입계를 따라 기포(void)가 존재하는 것과 SEM 분석을 통하여 산화구리막 표면에 금속 구리 나노 입자가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 XPS, Auger를 통하여 깊이 프로파일(depth profile) 측정 또는 산화구리의 내부를 깍아낸 후 측정하면 금속 구리 성분이 내부까지 존재함을 직접적으로 확인할 수 있다.
상기 광흡수층 표면에는 구리 나노입자가 더 존재할 수 있다.
상기 광흡수층의 두께는 1 ㎛ 이상이다. 광흡수층의 두께가 상기 범위일 때 후술하는 광흡수층의 두께가 지나치게 얇은 두께를 갖는 경우 발생되는 문제점이 발생됨이 없이 광흡수층의 광전류 특성이 만족할 만한 수준에 도달한다.
광흡수층의 두께가 너무 얇은 경우에는 캐리어의 전극까지의 도달거리는 감소되지만 빛의 흡수를 극대화하지 못해 빛을 충분하게 흡수하지 못함으로써 전류 효율이 광흡수층 소재의 두께에 의하여 한정될 수 있다. 따라서 두께가 너무 얇은 경우에는 광흡수층의 광전류 특성이 만족할 만한 수준에 도달하지 못한다.
그러나 일구현예에 의한 광흡수층은 광촉매의 침투 두께만큼 두껍게 형성되어 광흡수층 소재가 흡수할 수 있는 최대의 빛을 사용할 수 있다. 따라서 일구현예에 따른 광흡수층은 광흡수층의 침투 깊이에 걸쳐 형성된 광여기 전하 캐리어들이 전극까지 소멸되지 않고 이동되어 전류효율이 증가된다.
광흡수층의 두께는 예를 들어 2 ㎛ 이상, 구체적으로 2 내지 7㎛, 구체적으로 보다 구체적으로 4 내지 6㎛이다.
상기 금속 구리의 함량은 특별하게 제한되지는 않으나, 예를 들어 산화구리 100 중량부를 기준으로 하여 0.00001 내지 0.1 중량부이다.
상기 구리 나노입자는 평균입경이 10nm 이하이며, 예를 들어 0.001 내지 10nm로 형성된다.
상기 금속 구리의 함량 및 구리 나노 입자의 평균입경이 상기 범위일 때 광흡수층을 이용한 광전극 구조체의 광효율이 우수하다.
상기 산화구리는 결정성 물질로서 일반적인 산화구리와 비교하여 (111)면, (200)면 및 (220)면의 면간거리가 증가된다. 이와 같이 면간거리가 증가되는 것은 구리 이온이 구리로 일부 환원됨으로 인한 것이다.
도 1a는 일구현예에 따른 광전극 구조체에 있어서 광흡수층에 전하 캐리어 전도성 경로(charge carrier conducting path)를 형성하는 개념도를 나타낸 것으로서, 이를 참조하여 일구현예에 따른 광흡수층의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
태양광을 이용한 물분해 기술 또는 인광 광합성 기술의 구현을 위해서는 태양광을 흡수하여 최소 2 eV의 기전력을 발생시키고 발생된 전하가 고효율로 광전극의 표면에서 일어나는 화학 반응에 참여될 뿐만 아니라 물 안에서 오랜 시간 작동하여도 효율 특성 저하가 없는 반도체 재료가 반드시 필요하다.
상기 반도체 재료서 산화구리가 이용가능하다.
그런데 산화구리(Cu2O)는 원자재 가격이 낮고 환경문제를 일으키지 않는 소재이다. 그런데 산화구리는 실제적인 광효율이 이론적 광효율과 달리 낮게 얻어져 개선의 여지가 많다.
산화구리는 이론적 광전류가 14.7 mA/cm2인 소재이나 실제 발생되는 광전류는 이에 크게 미치지 못한다. 그 원인중 하나는 도 1a의 A에 나타난 바와 같이 빛의 침투 깊이(penetration depth)는 지지체(10) 및 도전층(11)상에 형성된 광흡수층(12)을 구성하는 산화구리의 밴드갭인 620nm에서 약 5㎛이지만 캐리어의 확산 길이(diffusion length)는 약 100nm 정도로 작아 캐리어들이 접합부에 도달하기 전에 전자-홀 재결합으로 대부분이 소멸되기 때문이다. 즉 도 1a의 A에 나타난 바와 같이 광전류기여 영역이 매우 작다.
이에 반하여 일구현예에 따른 광흡수층은 도 1a의 B에 나타난 바와 같이 빛의 침투 깊이 전체에서 생성된 광여기된 전하 캐리어가 전기 화학 반응 표면까지 재결합되지 않고 도달될 수 있도록 전하 캐리어 전도성이 향상된다. 따라서 광전류 기여 영역이 도 1a의 A와 달리 매우 증가된다. 그 결과 광흡수층의 광전류 특성이 향상된다. 도 1a 에서 red 및 ox는 환원상태 물질 및 산화상태 물질을 각각 나타낸다.
이하, 일구현예에 따른 광흡수층의 제조방법을 살펴 보기로 한다.
도 1b는 상술한 광흡수층 제조시 사용되는 3전극 셀의 구성을 나타낸 도면이다.
광흡수층은 구리염을 포함하는 전해질 수용액으로부터 전해 석출하여 제조된다. 이 제조 과정을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저 구리염을 포함하는 전해질 수용액으로부터 전해석출(electrodeposition)하여 산화구리막을 얻는다.
상기 구리염은 황산구리, 염화구리, 초산구리 등을 사용할 수 있다.
상기 전해질 수용액은 알칼리용액에서 수산화물로 침전되는 것을 억제하기 위한 착화제를 포함한다.
상기 착화제로는 락트산(lactic acid), 주석산, 구연산, 글리콜산(glycolic acid), 말산(malic acid) 중에서 선택된 하나 이상을 사용한다.
상기 전해질 수용액에서 구리염의 농도는 0.01 내지 1 M이고, 착화제의 농도는 0.05 내지 2 M이다.
상기 전해질 수용액의 pH는 특별하게 한정되지는 않으나, 예를 들어 8 내지 14이고, 구체적으로 9 내지 13이다.
상기 전해질 수용액의 액온은 산화구리막의 전해석출속도가 빨라질 수 있도록 25 내지 80℃ 범위, 구체적으로 80℃를 갖도록 제어한다. 이러한 액온을 갖는 전해질 수용액을 사용하면 1㎛ 이상, 예를 들어 2㎛ 이상의 두께를 갖는 광흡수층을 얻을 수 있다.
상기 전해 방법으로는 도전성막이 형성된 지지체를 작용전극으로서 정전위 전해, 정전류 전해 등의 방법을 사용할 수 있다.
상기 도전성막으로는 FTO(fluorinated tin oxide), ITO(indium tin oxide) 또는 금속(예를 들어, 스테인레스강, 니켈, 탄소 등)을 사용하며 상기 지지체로는 글래스 기판을 사용한다.
상기 구리염을 포함하는 전해질 수용액(12)을 3-전극 셀(10)에 투입한다.
3-전극 셀(10)은 용기(11), 및 이 용기(11)내에 설치된 작용전극(WE), 기준전극(RE) 및 상대전극(CE)을 포함한다.
작용전극(WE)은 FTO(fluorinated tin oxide), ITO(indium tin oxide) 또는 금속(예를 들어, 스테인레스강, 니켈, 탄소 등)과 같은 도전층이 코팅된 지지체를 사용한다.
기준전극(RE)은 Ag/AgCl, SCE(saturated calomel electrode), Hg/HgO 및 Hg/Hg2SO4로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기준전극(RE)으로는 Ag/AgCl(3M NaCl)가 사용될 수 있다.
상대전극(CE)은 백금, 니켈, 탄소 및 철로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상대전극(CE)으로는 백금 거즈(platinum gauze)가 사용될 수 있다.
다음에, 작용전극(WE)에 음전위가 형성되도록 작용전극(WE)과 기준전극(RE) 사이에 전압을 인가함으로써, 구리염을 포함하는 전해질 수용액(12)으로부터 산화구리를 형성하고, 이를 작용전극(WE)상에 전기화학적으로 코팅한다. 결과로서, 도 1c에 나타난 바와 같이 산화구리막 (12)이 코팅된 작용전극(WE) (13)이 얻어진다.
일구현예에 따르면, 상기 작용전극은 지지체(10) 및 그 상부에 형성된 도전층(11)을 포함한다.
전해석출을 통하여 상기 작용전극(WE)에 산화구리막을 형성하기 위해서는 인가되는 포텐셀은 기준전극으로 Ag/AgCl (3M NaCl) 적용 시 -0.3 내지 -0.5V 범위이다. 포텐셜이 상기 범위일 때 광전류 특성이 우수한 광흡수층을 얻을 수 있다.
상기 전해석출시 전기량(charging amount)은 8 내지 30C, 예를 들어 16 내지 24C의 조건에서 실시된다. 이러한 전기량 범위에서 전해석출이 진행되면 광흡수층의 두께를 용이하게 조절할 수 있다.
이후, 상기 산화구리막이 형성된 작용전극(WE)을 열처리(예를 들어, 소성)하여 상기 산화구리막(12)의 산화구리의 입계 사이에 금속 구리(metallic Cu)(13b)가 존재하는 구조를 갖는 광흡수층이 코팅된 작용전극(WE)(13)이 얻어진다. 도 1c에 나타난 바와 같이, 상기 산화구리막(12)의 표면에도 금속 구리(13a)가 존재할 수 있다.
상기 열처리는 무산소 분위기, 200 내지 550℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 무산소 분위기는 비산화성 분위기로서 불활성 가스를 이용하여 형성 가능하다. 상기 불활성 가스는 질소 가스, 아르곤 가스 등을 포함한다.
상기 열처리 온도가 200℃ 미만이면 산화구리의 입계 사이에 금속 구리가 형성되지 않아 광전류 특성이 개선된 광흡수층을 얻기 곤란하며, 550℃를 초과하면 광흡수층과 광흡수층이 형성된 기판에 대한 접착력이 저하되고 광전류 특성이 저하된다.
상기 열처리의 지속 시간은, 특별히 한정되지는 않는다. 일구현예에 의하면 열처리 시간은 10분 이상, 예를 들어 30분이다.
다른 측면에 따라 상술한 광흡수층을 채용한 광전극 구조체를 제공한다.
또 다른 측면에 따라 상술한 광흡수층의 제조방법에 따라 제조된 광흡수층을 포함한 광전극 구조체를 제공한다.
일구현예에 따른 광전극 구조체는 전극 상부에 상술한 광흡수층이 형성되고 상기 광흡수층 상부에는 광흡수층의 광부식을 막기 위한 보호층과 전기촉매가 배치되어 있다.
상기 보호층으로는 수용액에서 부식되기 어려운 Ta, Ti, Nb 금속막을 사용한다.
상기 전기 촉매를 배치하는 과정은 예를 들어 증착, 스퍼터링 등의 방법을 사용할 수 있다.
상기 전기 촉매는 광전극에서 발생한 여기 전자 및 여기홀이 화학반응에
참여할 때 화학반응의 활성화 에너지를 낮추어 주는 역할을 한다.
상기 전기 촉매는 연속적인 또는 불연속적인 코팅막 상태로 존재할 수
있고 또는 전기 촉매 입자 상태로도 존재 가능하다.
상기 전기촉매는 예를 들어 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 니켈몰리브덴(NiMo), 니켈몰리브덴아연(NiMoZn), 니켈몰리브덴질화물(NiMoNx, 0.1=x=2), 황화몰리브덴(MoS2 또는 Mo3S4)
코발트-포스페이트(Cobalt-phosphate) (Co-Pi), 산화코발트(Co3O4) 코발트인(CoP), 산화이리듐(IrO2), 산화루테늄(RuO2) 및 산화로듐(Rh2O3)중에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
상기 광전극 구조체가 포토캐소드인 경우에는 전기 촉매는 양성자 환원에 적합한 Pt, NiMo, NiMoZn, MoS2, 또는 Mo3S4이 사용될 수 있다.
상기 광전극 구조체가 포토애노드인 경우에는 물 산화에 적합한 Ir, IrO2, Ru, RuO2, Co3O4, 또는 Co-Pi이 사용된다.
상기 전극은 지지체 상에 도전층이 배치된 구조를 갖는다.
상기 도전층은 금속 및 산화물 전도체 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다. 상기 금속은 스테인레스강, 니켈, Al, Ag, Cu 중에서 선택된 하나 이상 또는 그 합금을 포함하며, 상기 산화물 전도체는 FTO(Fluorine doped Tin Oxide)(SnO2:F), ITO(Tin-doped Indium Oxide)(In2O3:Sn), ZnO:Al, TiO2:Nb 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다. 상기 도전층은 예를 들어 광투과성 금속 그리드 형태를 가질 수 있다.
상기 지지체로는 글래스 기판 등을 이용한다.
상기 전극은 예를 들어 FTO가 증착된 글래스 기판을 사용한다.
또 다른 측면에 따라 상술한 광전극 구조체를 구비한 광전기화학전지를 제공한다.
상기 광전기화학전지는 물분해 수소 생성 소자일 수 있다.
도 2는 일구현예 따른 광전기화학전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하여, 광전기화학전지(20)는 비제한적 배열에서 챔버(26), 포토애노드 구조체(21), 포토캐소드 구조체(22) 및 전해질 수용액(27)을 포함한다. 그리고 일부 경우에서는 광전기화학전지(20)는 레지스터(resistor)를 포함할 수 있다.
상기 포토캐소드 구조체(22)는 일구현예에 따른 광전극 구조체일 수 있다.
상기 포토애노드 구조체(21)는 전극(23a), 광흡수층(24a) 및 전기촉매(25a)를 구비하며, 포토캐소드 구조체(22)는 전극(23b), 광흡수층(24b) 및 전기촉매(25b)를 함유한다.
상기 전기촉매(25a) 및 (25b)는 비제한적인 예로서 전기촉매층 상태로 존재한다. 상기 전기촉매층의 평균 두께는 전극에 인가하는 전압의 양, 시간의 길이, 전해질 수용액의 종류, 전극의 표면적 등에 따라 달라질 수 있다. 이 평균두께를 특별하게 제한되지는 않으나 예를 들어 10 내지 2000 nm이다.
광흡수층(24a)(24b) 내부와 외부 회로를 통하여 환원전극인 포토애노드로 전자가 이동하고 정공은 물 (H2O)을 산화시켜 산소를 발생한다(반응식 1). 그리고 환원전극인 포토캐소드에서는 H+ 이온이 환원되어 수소가 발생된다(반응식 2).
[반응식 1]
H20 + 2h+ → 2H+ + 1/2 O2
[반응식 2]
2H+ + 2e- → H2
상기 광전기화학전지는 물에 담그지 않아 물분해를 하지 않는 경우 전자-정공 분리에 의해 형성된 기전력에 의해 태양전지로 사용될 수 있다.
상기 태양전지는 일구현예에 따른 광흡수층을 포함한다.
상기 태양전지는 제조단가가 저렴하고 환경문제 없는 산화구리막을 광흡수층으로 채용하여 광효율이 증가함으로써 태양광의 효율적 이용이 가능해진다.
이하에서, 하기 실시예를 들어 예시하기로 하되, 본 발명의 보호범위가 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예
1:
광흡수층
및
광전극
구조체의 제조
먼저, 0.06M의 황산구리 수용액, 0.95M 락트산 및 0.16M K2HPO4을 혼합하고 수산화칼륨을 이용하여 pH가 12이며 액온이 약 60℃인 전해질 수용액을 준비하였다.
상기 전해질 수용액을 도 1b의 작용전극(두께: 2.8mm, 크기 30mm x 25mm인 글래스 기판)에 형성된 FTO막(두께: 0.6㎛)), 기준전극(Ag/AgCl(3M KCl)) 및 상대전극(백금 거즈)이 설치된 3-전극 셀에 투입하였다.
이어서, 상기 작용전극에 -0.4V(Ag/AgCl 전극 기준)의 전압을 걸어주면 전류밀도 약 0.2~3mA/cm2 (초기 증가 후 서서히 감소)가 생성되면서 산화구리막이 형성된다. 24C의 전하량을 가하여 전기화학 코팅을 실시한 경우 약 5㎛/5.4cm2의 산화구리막이 코팅된 작용전극을 얻었다.
이후, 상기 산화구리막이 코팅된 작용전극을 진공, 400℃에서 30분 동안 열처리하여 광흡수층을 갖는 광전극 구조체를 제조하였다.
실시예
2-8:
광흡수층
및
광전극
구조체의 제조
전기화학적 코팅시 전기량이 4C, 8C, 12C, 16C, 20C, 24C, 28C으로 변화된 것 과 열처리 분위기를 질소 가스 분위기로 변화한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광흡수층을 갖는 광전극 구조체를 제조하였다.
실시예
9-12:
광흡수층
및
광전극
구조체의 제조
산화구리막이 코팅된 작용전극을 열처리하는 온도가 200℃, 300℃, 500℃ 및 550℃로 각각 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광흡수층을 갖는 광전극 구조체를 제조하였다.
상기 실시예 1-11에 따라 제조된 광흡수층의 두께는 하기 표 1에 나타난 바와 같다.
| 구분 | 두께(㎛) |
| 실시예 1 | 6 |
| 실시예 2 | 1 |
| 실시예 3 | 2 |
| 실시예 4 | 3 |
| 실시예 5 | 4 |
| 실시예 6 | 5 |
| 실시예 7 | 6 |
| 실시예 8 | 7 |
| 실시예 9 | 6 |
| 실시예 10 | 6 |
| 실시예 11 | 6 |
| 실시예 12 | 6 |
비교예
1:
광흡수층
및
광전극
구조체의 제조
산화구리막이 코팅된 작용전극을 열처리하는 과정을 거치지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하여 광흡수층을 갖는 광전극 구조체를 형성하였다.
비교예
2:
광흡수층
및
광전극
구조체의 제조
산화구리막이 코팅된 작용전극을 열처리하는 온도가 100℃로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 6과 동일한 방법에 따라 실시하여 광흡수층을 갖는 광전극 구조체를 형성하였다.
상기 비교예 2에 따라 형성된 광흡수층은 실시예 1-12의 경우와 달리 광흡수층에서 구리 금속의 존재를 확인할 수 없었다.
평가예
1: 투과전자현미경(
transmission
electron
microscope
:
TEM
)
및 전자주사현미경(
scanning
electron
microscope
:
SEM
)
분석
1)TEM
상기 실시예 1 및 비교예 1-2에 따라 제조된 광흡수층의 TEM 분석을 각각
실시하였다. 상기 TEM 분석시 분석기로서 FEI 사의 Tecnai Titan을 이용하였고 SEM 분석기로는 Hitachi사의 S-4700을 이용하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층의 TEM 분석 결과를 각각 도 3a 및 도 3b에 나타내었다. 도 3a에서 B는 도 3a의 A에서 화살표 영역을 확대한 것이다.
도 3a을 참조하여, 실시예 1에 따라 제조된 광흡수층은 산화구리 입계를 따라서 보이드(void)로 보이는 백점(white spot)이 존재함을 관찰할 수 있었다. 이러한 백점은 열처리로 하기 반응식 3에 나타난 바와 같은 반응으로 산소가 빠져나간 자리에서 기인된 것이다.
[반응식 3]
Cu2O → Cu + ½O2
반면, 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층은 도 3b에 나타난 바와 같이 도 3 a의 백점은 존재하지 않았다.
또한 비교예 2에 따라 제조된 광흡수층도 비교예 1의 경우와 마찬가지로 도 3 a의 백점은 존재하지 않았다.
2) SEM
상기 실시예 1 및 비교예 1-2에 따라 제조된 광흡수층의 SEM 분석을 각각 실시하였다. 상기 SEM 분석기로는 Hitachi사의 S-4700을 이용하였다.
상기 SEM 분석 결과를 각각 도 4a-4b 및 도 5a-5b에 나타내었다. 여기에서 도 4a 및 도 5a는 각각 실시예 1 및 비교예 1의 광흡수층의 표면에 대한 분석 도면이고, 도 4b 및 도 5b는 각각 실시예 1 및 비교예 1의 광흡수층의 단면에 대한 분석 도면이다.
이를 비교해보면, 실시예 1에 따른 광흡수층은 비교예 1의 광흡수층과 달리 산화구리막의 표면에 구리 나노 입자가 형성됨을 알 수 있었다.
한편, 비교예 2의 광흡수층은 비교예 1의 경우와 마찬가지로 산화구리막의 표면에 구리 나노 입자가 형성되지 않음을 확인할 수 있었다.
평가예
2: X-선 광전자 분광
(
X-
ray
Photoelectron
Spectroscopy
:
XPS
) 및 AES(Auger
Electron
Spectroscopy
) 분석
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층에 대한 XPS/AES 분석을 동시에 실시하여 구리(2p)의 결합에너지 및 운동에너지를 측정하고 Auger 구리 LMM(dN/dE) Auger 시그널을 기록하고 이를 비교하였다. 상기 XPS/AES 분석기기로는 Physical Electronics, Inc.의 Quantum 2000 Scanning ESCA Microprobe을 이용하였고 상기 소스 파워(source power)는 beam diameter 100 mm인 monochromatic Al Ka (K-alpha: 1486.6 eV)를 사용하였다.
도 6a는 상기 실시예 1에 따라 제조된 광흡수층(62)이 글래스 기판(60)상에 형성된 FTO막 (61) 상부에 적층된 구조를 나타낸 것이다. 광흡수층(62)의 표면에서부터 0.5㎛(500nm)의 두께 영역 (C)에 대한 SEM 사진은 도 6b에 나타난 바와 같고, XPS/AES 분석 결과는 도 6d에 나타난 바와 같다.
도 6d는 상기 광흡수층의 깊이 프로파일(depth profile)을 조사하기 위해서 상기 광흡수층 표면을 3keV 아르곤 이온 빔을 이용하여 구리산화막을 20분 동안 스퍼터링하면서 순차적으로 측정한 것이다. Cu LMM 스펙트럼을 미분 (dN/dE)함으로써 Cu metal 성분이 존재함을 알 수 있다.
도 6a의 광흡수층(62)과 FTO막(61)의 인접된 영역으로부터 그 상부의 2 ㎛의 두께 영역 (D)에 대한 SEM 사진은 도 6c에 나타난 바와 같고, XPS/AES 분석 결과는 도 6e에 나타난 바와 같다. 도 6e는 상기 광흡수층의 깊이 프로파일(depth profile)을 조사하기 위해서 상기 광흡수층 표면을 3keV 아르곤 이온 빔으로 구리를 35분 동안 스퍼터링하면서 얻은 결과이다. 이 분석을 통해 구리산화막은 진공열처리로 거의 전체 두께 영역에서 Cu 금속(metal)으로의 부분적인 환원이 일어났음을 알 수 있다.
도 6f는 도 6d의 경우와 마찬가지로 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층의 표면에서부터 0.5㎛의 두께 영역에 대한 XPS/AES 분석 결과를 나타낸 것이다.
실시예 1에 따라 제조된 광흡수층은 도 6d 및 도 6e에 나타난 바와 같이 화살표 표시 영역에서 구리 금속의 존재를 확인할 수 있는데 반하여, 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층은 도 6f에 나타난 바와 같이 구리 금속 관련 피크를 확인하기가 어려웠다. 이로부터 실시예 1에 따른 광흡수층의 표면 및 내부에 구리 금속이 존재함을 확실하게 알 수 있었다.
평가예
3:
광흡수층의
막 두께에 따른 광전류 측정
평가예 3은 열처리에 의한 전하 캐리어 전도성 경로 형성에 있어서 광흡수층의 최적 두께를 알아보기 위해 전기화학코팅 시 전기량(charging amount)를 변화시켜 (전극면적 5.4cm2에서 4~28C 적용) 조절한 광흡수층의 두께 (1~7㎛)에 대하여 광전류 증가 효과를 측정한 것이다.
상기 실시예 2-8에 따른 광흡수층의 광전류를 다음과 같이 측정하였다.
상기 광전류를 평가하기 위한 시험 장치로는 도 2의 전해질 수용액이 채워진 3-전극 셀을 사용하였다.
상기 3-전극 셀의 작용전극으로는 각각 상기 실시예2-8에 따라 제조된 광흡수층을 갖는 광전극 구조체를 사용하였다.
기준전극으로는 Ag/AgCl(3M NaCl)을 사용하였으며, 상대전극으로는 백금 거즈를 사용하였고, 전해질 수용액으로는 1M Na2SO4 pH 5.2을 사용하였고, PARSTAT 2273 potentist을 이용하여 Linear scan voltammetry (전압변화에 의한 전류변화 측정) 평가 시 전압변화 속도(scan rate)는 약 10mV/s이었다.
상기 실시예 2-8에 따른 광전극 구조체를 작용전극으로 구비한3-전극 셀의 작용전극의 후면 방향에서 뉴포트(Newport)사의 Xe 램프(lamp) 및 AM 1.5 필터(filter)를 적용하여 빛을 조사하였고 이때 디지털 노출 제어장치(Digital exposure controller)를 장착하여 2초 간격으로 빛을 온-오프(on-off)하여 광전류를 측정하였다.
상기 측정 결과는 도 7에 나타난 바와 같다. 도 7에서 4C, 8C, 12C, 16C, 20C, 24C 및 28C는 각각 실시예 2-8에 따라 제조된 광흡수층에 대한 것이다.
도 7에 의하면, 전기량 20C 경우 광전류가 가장 높았고 평균적으로 약 5~6㎛가 최적 두께임을 알 수 있었다. 즉, 코팅 시 통전 전기량이 3.5~4.5C/cm2 인 경우 열처리 후 광전류값이 가장 높았다.
평가예
4:
광흡수층의
열처리온도에 따른 광전류 측정
상기 평가예 3에서 사용된 광전류를 평가하기 위한 시험 장치를 이용하여 상기 실시예 1, 9-12에 따라 제조된 광흡수층의 광전류를 측정하였다.
상기 측정 결과는 도 8에 나타난 바와 같다. 도 8에서 200C, 300C, 400C, 500C, 550C는 각각 실시예 9-10, 실시예 1, 실시예 11-12에 따라 제조된 광흡수층에 대한 것이다.
도 8을 참조하여, 실시예 1 및 실시예 11에 따라 제조된 광흡수층(열처리 온도가 400 및 500℃인 경우)의 광흡수층의 광전류 특성이 우수하였고, 실시예 12에 따라 제조된 광흡수층(열처리온도가 550℃인 경우)는 실시예 11의 경우(열처리 온도가 500℃인 경우)에 비하여 광전류가 다시 감소되는 현상을 보였다. 이러한 현상은 열처리 온도가 550℃인 경우는 열처리 효과는 높으나 이 때 광흡수층을 구성하는 산화구리(Cu2O)의 열팽창계수가 글래스의 열팽창계수와 큰 차이가 나기 때문에 글래스 기판에 대한 광흡수층의 부착력이 저하되면서 실시예 11의 경우(열처리 온도가 500℃인 경우)에 비하여 광전류가 다시 감소되었기 때문에서 기인된다.
평가예
5:
광흡수층의
광조사
방향에 따른 광전류 측정
상기 평가예 3에서 사용된 광전류 평가장치를 이용하여 진공열처리를 하지 않은 샘플에 대해 광조사 방향에 따른 광전류를 측정하였다.
상기 3-전극 셀의 작용전극으로는 각각 상기 실시예1 및 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층을 갖는 광전극 구조체를 사용하였다.
열처리에 의한 광전류 증가효과는 도 9에 나타나 있다. 두께가 6㎛인 광흡수층의 후면 광조사(AM1.5 light) 조건하에서 광전류를 측정하면, 열처리를 실시하기 전 대비 열처리를 실시한 후 광전류가 약 30배 정도로 매우 증가함을 확인하였다. 그리고 열처리 전 광흡수층의 전면 광조사(front illumination) 하에서의 광전류는 후면 광조사(back illumination)하는 경우와 비교하여 약 16배 증가되었는데 이러한 결과는 Cu2O 막 내부에 생성된 광여기된 전하 캐리어들이 전극에 도달되기 전 다시 재결합되어 소멸된다는 사실을 뒷받침하였다.
평가예
6: X선
회절
분석에 의한 결정성 평가
상기 실시예 1, 9-12 및 비교예 1에 따라 제조된 광흡수층을 갖는 광전극 구조체의 X선 회절 분석을 실시하였다. 상기 X선 회절 분석은 Cu Kαradiation(1.540598Å)을 이용한 Rigaku RINT2200HF+ 회절계(diffractometer)를 이용하여 실시하였다.
상기 XRD 분석 결과는 도 10 내지 12에 나타난 바와 같다.
도 10 내지 도 12는 진공열처리 온도에 따른 샘플의 XRD 스펙트럼에서 Cu2O (111), (200), (220) 각 회절면에 대해 역격자 면간 거리 (k) 및 피크너비를 나타낸 것이다.
도 10 내지 도 12의 k값으로부터 하기식 1을 이용하여 각 결정면의 거리(d)를 계산할 수 있다.
[식 1]
K=2π/d
이를 참조하면, 광흡수층 열처리 온도를 변화시킴에 따라 (111), (200) 및 (220)면의 거리 d가 증가하는 경향을 나타냈다.
도 10을 참조하여 실시예 1, 9-12에 따라 제조된 광흡수층의 (110), (200) 및 (220)면의 면간 거리는 각각 비교예 1의 경우와 비교하여 증가하였다. 열처리 온도 증가에 따라 면간 거리가 증가되는 것은 구리이온의 환원과 관련된다.
한편 열처리 온도 증가에 따른 피크 너비 감소는 관찰되지 않아 열처리에 의한 결정성 향상 효과는 크지 않다는 것을 알 수 있다. 상기 분석결과를 통해 광효율 증가에 대한 간접적인 증거로 결정면간 거리 증가를 제시할 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
20: 광전기화학전지 21: 포토애노드 구조체
22: 포토캐소드 구조체 23a, 23b: 전극
24a, 24b: 광흡수층 25a, 25b: 전기촉매
27: 전해질 수용액
22: 포토캐소드 구조체 23a, 23b: 전극
24a, 24b: 광흡수층 25a, 25b: 전기촉매
27: 전해질 수용액
Claims (15)
- 산화구리를 포함하며, 상기 산화구리의 입계(grain boundary)에 금속 구리(metallic Cu)가 존재하는 광전극 구조체용 광흡수층.
- 제1항에 있어서,
광흡수층 표면에 구리 나노 입자가 더 존재하는 광전극 구조체용 광흡수층. - 제1항에 있어서,
두께가 1 ㎛ 이상인 광전극 구조체용 광흡수층. - 제1항에 있어서,
두께가 2 ㎛ 이상인 광전극 구조체용 광흡수층. - 전극; 및 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 광흡수층; 보호층 및 전기촉매를 포함하는 광전극 구조체.
- 제5항에 따른 광전극 구조체를 포함하는 광전기화학전지.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 광흡수층을 포함하는 태양전지.
- 구리염 및 착화제를 포함하는 전해질 수용액을 전해석출(electrodeposition)하여 산화구리막을 얻는 단계; 및
상기 산화구리막을 무산소 분위기에서 200 내지 550℃에서 열처리하는 단계;를 포함하여 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 광전극 구조체용 광흡수층을 형성하는 광전극 구조체용 광흡수층의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 전해석출이 기준전극으로 Ag/AgCl (3M NaCl) 적용 시 -0.3 내지 -0.5V의 포텐셜을 인가하는 조건에서 실시되는 광전극 구조체용 광흡수층의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 전해석출이 전기량(charging amount) 8 내지 30C의 조건에서 실시되는 광전극 구조체용 광흡수층의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 구리염을 포함하는 전해질 수용액의 pH가 8 내지 13인 광전극 구조체용 광흡수층의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 착화제가 락트산(lactic acid), 주석산, 구연산, 글리콜산(glycolic acid), 말산(malic acid) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 광전극 구조체용 광흡수층의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 전해질 수용액의 액온이 25 내지 80℃인 광전극 구조체용 광흡수층의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 구리염의 농도가 0.01 내지 1 M이고,
상기 착화제의 농도는 0.05 내지 2 M인 광전극 구조체용 광흡수층의 제조방법. - 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 광전극 구조체용
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| US20140238847A1 (en) | 2014-08-28 |
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